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直流电机 FAULHABER驱动高效便携式输液泵

大多数人可能没有意识到,人体有 85% 都是水。因此,对于像受伤士兵这样的创伤患者,首选治疗方案自然包括在受控条件下大量补充液体。问题是,传统输液泵通常只可高精度输送少量液体,例如一个小时或更长时间内 100 毫升,这远远不足以应付创伤治疗。正当美国陆军寻找一种以 100 毫升/分钟的速度运行的小型便携式野战输液单元时,Infusion Dynamics(现 Zoll Medical Corp.)通过来自 FAULHABER 的运动控制型高效、高转矩直流无刷伺服电机提供解决方案。

该设计包括一个模块化泵,泵顶部装有一次性输液盒。该单元使用六节 AAA 电池,总电压为 9 伏。军方的目标是一组电池足以为一名患者输液;而成品设备是如此高效,以至于它可全速运转八到十小时,使用一个电池组即可为多位患者输液。

直流电机 FAULHABER驱动高效便携式输液泵
由旋转偏心凸轮摇动的轭架压缩第一个塑料管、然后另一个塑料管以泵送液体。(由 Zoll Medical 提供)
直流电机 FAULHABER驱动高效便携式输液泵
Power Infuser 由一个基泵单元组成,顶部装有一次性输液盒。(由 Zoll Medical 提供)

效率至上

泵单元的机械部分由阳极化铝制框架组成,框架顶部配有一个轭架,叉形结构的下侧设有两个法兰。轭头顶部的一次性输液盒通常由两个平行透明塑料管组成,每个塑料管的两端都装有被动止回阀,用于在塑料管被压缩时实现单向流动。轭架下侧的叉体横跨在旋转偏心凸轮上,该凸轮迫使轭架前后摇动。当轭架前后摇动时,每侧顶部的梁压缩其上方的塑料管。这个动作可将液体从输液盒管中挤出到患者的静脉注射管线中。

为最大限度地延长电池寿命,设计团队首先着眼于提高效率。每压缩一根塑料管,它就会储存势能。一旦挤出液体,空塑料管的膨胀使得轭架摇动到另一侧,势能就会转化为动能,开始压缩另一个塑料管。“它的效率高得令人难以置信。”Instech Labs 现任总裁、该单元的设计师之一 Michael Loughnane 说道。“如果只用一个塑料管,在一定功率下可以获得一定流量。如果添加第二个塑料管,功率需求只会略微上升,但流量会翻倍。我们使用这种平衡的泵送动作榨取这个机构的最大效率。”

泵的设计使其运动永远不会完全关闭塑料管。蠕动泵中存在的这种闭塞会消耗能量,用于压缩和控制回流。输液盒中内置一个独立的空气消除过滤器,其由一个亲水膜和一个疏水膜组成。空气通过疏水膜排出。输液盒的这部分可确保不会有气泡进入静脉注射管线。“你可以把输液袋扔在地上,它会将所有空气抽出来,然后抽空输液袋中的液体。”联合设计师 Kenneth Cook 说道。

要给轭架提供动力,团队需要一个能够提供足够扭矩来压缩塑料管的直流齿轮电机,但要安装在一个足够小的外壳内,以满足泵的尺寸限制。最重要的是,它必须高效。“通过使用数学模型,我们找到最佳传动比、最佳转速,然后选择合适的齿轮电机和传动比来满足这些标准。”Loughnane 说道。他们从 FAULHABER 选择一台直径 13 毫米、长 31 毫米的伺服电机,配备直径 15 毫米的减速箱,减速比为 76:1。“我们去找过其他公司。”他补充道。“我们发现,在我们测试的电机中,FAULHABER 的电机效率最高。”

他们使用 9 伏电机制造出初始原型,但发现减速转动 12 伏模型可获得更高的性能。“如果不高速运转电机,电机的电流消耗通常会更好。“Loughnane 说道。“相比让额定电压为 9 伏的电机在 9 伏电压下运行,这是一种更高效的设计。”团队对齿轮电机进行改造,在轴的远端加装一个外部轴承,以提供额外支撑。

直流电机 FAULHABER驱动高效便携式输液泵
该运动控制驱动型输液泵(绑在患者手腕上的黑盒子)能够以 100 毫升/分钟的速度为创伤患者补充液体。

保持控制

机械设计完成后,下一个问题便是控制。该设备不能发射电磁辐射,这就排除使用传统微处理器的可能性。因此,团队选择基于反电动势反馈的离散逻辑和模拟控制。设置泵速的选择开关确立须与电机的放大反电动势相匹配的电压。模拟电路根据结果改变电机的驱动信号,从而提供闭环速度控制。

“我们依靠反电动势常数确定电机的运行速度。”Loughnane 说道。“我们喜欢 FAULHABER 电机的一点是,它的反电动势常数一直在他们声称的 10% 以内;实际上比这要好得多。如果电机间的常数会发生变化,则可能导致问题,但这个数字非常好且很一致。”

为进一步提高效率,速度控制器仅向前驱动电机。它不会试图在整个循环中保持电机的速度稳定。相反,如果由于存储的势能而使电机在峰值压缩后运行得更快,则从电气角度来看,电路允许其自由转动。

这种控制方法的另一个好处是,驱动电机所需的电流与管内的闭塞程度直接相关。如果由于泵堵塞,电流上升超过一定阈值,该单元将自动关闭。类似地,如果静脉注射管连接到一个施加回流压力的小号针头上,该单元将停止工作。Loughnane 表示,18 号针是创伤患者的最佳选择;自动停止可防止错误。

该设计还包括一对不锈钢针脚,用于在流体路径中形成电导率计。如果因排除过滤器故障导致空气进入管内,则阻力上升,泵停止运转。医护人员必须进行干预,以清除空气并重新启动泵。该仪器还可检测是否使用了正确的液体——盐水或其他具有生理盐浓度的溶液。

产品

直流微电机
1331 ... SR
精密合金换向
数据表
主要参数
名义电压:
6 ... 24 V
最高额定转矩:
3.44 mNm
最高无负载转速:
10700 min⁻¹
最高失速转矩:
11.2 mNm
直径:
13 mm
长度:
31.2 mm
系列 1331 ... SR

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